DE102010026580A1 - Windkraftanlage mit einer Radialturbine - Google Patents

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Abstract

Die Windkraftanlage mit einer Hybridturbine, insbesondere mit einer vertikalen Rotationsachse, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine in mehrere Segmente mit jeweils einer unabhängig rotierenden Einzelturbine unterteilt ist und dass die Drehzahlen der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind. Es wird vorgeschlagen, die Zusammenfassung ohne Zeichnung zu veröffentlichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer Radialturbine, insbesondere mit einer vertikalen Rotationsachse, die auch horizontal, je nach Bedarf einsetzbar ist.
  • Der Stand der Technik ist ähnlich wie bei dem „Savonius-Rotor”, der als Widerstandsläufer bezeichnet wird. Die hier eingesetzte Radialturbine ist wegen der externen Leitfläche und Radialfläche kein Widerstandsläufer, sondern wird hier als „Hybridanlage” bezeichnet.
  • Nachteilig an den bekannten Windkraftanlagen mit einer vertikalen Rotationsachse ist Folgendes: Die Windgeschwindigkeit ist in unterschiedlichen Höhen über dem Erdboden unterschiedlich hoch. Entsprechend ist die IEC-Windklasse abhängig von der Höhe über dem Erdboden. In der Regel sind die Windgeschwindigkeiten in größerer Höhe größer als unten am Erdboden. Die für die Ausnutzung der Windenergie optimale Rotationsgeschwindigkeit hängt daher bei einer Windkraftanlage mit einer vertikalen Rotationsachse von der Höhe über dem Erdboden ab. Andererseits sollen Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse eine große Höhe erreichen, um möglichst viel Energie zu erzeugen. Bei solchen Anlagen bewegt sich der Rotor nur bezüglich einer bestimmten Höhe über dem Erdboden mit der optimalen Rotationsgeschwindigkeit. Oberhalb dieser Höhe bewegt sich der Rotor zu langsam und unterhalb der Höhe zu schnell. Noch weiter unterhalb des optimalen Punktes, wo die Windgeschwindigkeit relativ niedrig ist, wirkt der Rotor nicht wie eine Windkraftanlage, sondern wie ein Ventilator. Dort wird nicht Windenergie in mechanische Bewegung umgewandelt, sondern umgekehrt die kinetische Energie des Rotors zur Erzeugung einer Windströmung verwendet. An dieser Stelle wird also sogar ein Teil der oberhalb erzeugten kinetischen Energie wieder abgeleitet und kann nicht geerntet werden.
  • In einem typischen praktischen Fall variierte die Windgeschwindigkeit von 4,0 m/s am Erdboden bis zu 8,2 m/s in 200 m Höhe.
  • Aufgrund dieses Zusammenhanges kann eine Windkraftanlage mit drei Flügeln herkömmlicher Bauart nicht den optimalen Wirkungsgrad erreichen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Windkraftanlage den energetischen Wirkungsgrad erheblich zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird bei der Windkraftanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Radialturbine in mehrere Segmente, insbesondere mit max. 25 m oder 30 m Länge oder mehr, mit jeweils einer unabhängig rotierenden Einzelturbine unterteilt ist und dass die Drehzahlen der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind, sowie dass Leitflächen (22) und Radialflächen (21) angebracht sind.
  • Jeder der Einzelturbinen kann daher in Abhängigkeit von ihrer Höhe über dem Erdboden und der jeweilig dort herrschenden Windklasse bzw. Windgeschwindigkeit mit der für sie optimalen Drehzahl rotieren. In der Praxis wird die oberste Einzelturbine am schnellsten und die unterste Einzelturbine am langsamsten rotieren. Für jede Höhe über dem Erdboden lässt sich damit der optimale Wirkungsgrad erzielen, so dass der Gesamtwirkungsgrad der Windkraftanlage erheblich verbessert ist.
  • Vorzugsweise ist jede Einzelturbine mit einem separaten Stromgenerator versehen. Für jede Höhe ist also ein separater Stromgenerator vorgesehen.
  • Um die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Höhen ernten zu können, braucht man ein System, das sich flexibel auf diese Umweltbedingungen einstellen kann. Dies kann nicht durch ein dreiflügeliges System erreicht werden. Die VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) ist einerseits bekannt als „Savonius” und „Darrieus” und ermöglicht diesen Vorteil andererseits in dieser Erfindung der „Hybridanlage”. Die Erfindung der „Hybridanlage” unterscheidet sich von „Darrieus” und „Savonius” insbesondere durch das Anbringen von Leit- und Radialflächen und ist nicht als Widerstandsläufer zu bezeichnen. Dies ist durch laufende Tests bewiesen worden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Windkraftanlage transportabel und insbesondere auf Schienen angeordnet ist, so dass bei wechselnden Windbedingungen die Windkraftanlage immer an den optimalen Standort bewegt werden kann.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Windkraftanlage in horizontaler Lage an einem Berghang angeordnet ist, um den dort häufig herrschenden Aufwind zu nutzen.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die Windkraftanlage an einem Hochhaus oder zwischen Hochhäusern angeordnet ist, um die dort herrschende häufig höhere Windgeschwindigkeit zu nutzen. Da die Turbinenbauart der Windkraftanlage im Gegensatz zu den bekannten Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse und drei Flügeln wenig Platz verbraucht und kaum Lärm und Vibrationen erzeugt, ist diese Anordnung für die Bewohner der Hochhäuser akzeptabel.
  • Werden mehrere Windkraftanlagen zu einem so genannten Windpark oder Windfarm zusammengeschaltet, ist es von Vorteil, wenn für die Segmente gleicher Höhe nur jeweils ein Stromgenerator vorgesehen ist. Die Einzelturbinen in gleicher Höhe werden nach diesem Vorschlag mechanisch gekoppelt und liefern alle zusammen ihre kinetische Energie an nur einen Generator.
  • Eine besonders hohe Energieausnutzung wird bei der Anordnung von mehreren Windkraftanlagen in Form eines Windparks oder einer Windfarm erreicht, da die einzelnen Windkraftanlagen (Radialturbinen) nur einen geringen Abstand voneinander benötigen. Der Energiegewinn pro Bodenfläche ist damit sehr hoch und auch erheblich höher als bei bekannten Windparks mit Windkraftanlagen, die eine horizontale Rotationsachse mit drei Flügeln aufweisen. Vorzugsweise sind daher die Windkraftanlagen in engem Abstand nebeneinander angeordnet und können insbesondere eine Wand bilden. Diese Wand kann gleichzeitig als Lärmschutzwand an Schnellstraßen und Autobahnen dienen oder auch als Schutzwand in Wüsten vorgesehen sein, um Sandverwehungen aufzuhalten. Der Abstand der einzelnen Windkraftanlagen voneinander kann sehr gering, insbesondere nur ein Sechstel des Turbinendurchmessers betragen.
  • Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Windparks mit mehreren Windkraftanlagen gemäß der Erfindung,
  • 2 eine perspektivische Darstellung eines Windparks mit mehreren auf Schienen bewegbaren Windkraftanlagen gemäß der Erfindung,
  • 3 eine perspektivische Darstellung eines Windparks mit mehreren Windkraftanlagen gemäß der Erfindung, die zwischen Hochhäusern angeordnet sind und
  • 4 veranschaulicht das Funktionsprinzip des Rotors,
  • 5 eine Anordnung von zwei erfindungsgemäßen Windkraftanlagen in engem Abstand von nur 1,5 m ohne Energieverlust, mit Leitflächen,
  • 6 eine weitere Anordnung von zwei erfindungsgemäßen Windkraftanlagen in engem Abstand, mit Leitflächen,
  • 7 noch eine Anordnung von zwei erfindungsgemäßen Windkraftanlagen in engem Abstand, mit Leitfläche, mit nur minimalem Energieverlust.
  • In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
  • 1 zeigt neben herkömmlichen Windkraftanlagen 1 mit horizontaler Rotationsachse und drei Flügeln einen Windpark mit erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 2, deren vertikale Rotoren in Segmente 3 unterteilt sind.
  • 2 zeigt ein mobiles Windenergie-Kraftwerk mit auf Schienen 4 bewegbaren Windkraftanlagen 2 gemäß der Erfindung.
  • Schließlich zeigt 3 mehrere Anordnungen von jeweils drei Hochhäusern 5 mit zwischen ihnen angebrachten erfindungsgemäßen Windkraftanlagen 2 mit Halterungen 6. Dies repräsentiert eine Anlage mit einer Kapazität von 10 Gigawatt Leistung.
  • 4 veranschaulicht das Funktionsprinzip des Rotors. Durch externe Leitflächen 22 und Radialflächen 21 ist die Turbine kein Widerstandsläufer wie bei der Savonius- oder Darrieus-Turbine. Die Radialfläche 21 verhindert Turbulenzen hinter der Leitfläche. Die Strömungsfläche 23 verhindert Turbulenzen im inneren Raum hinter der Leitfläche und der Radialfläche. Durch die Leitfläche wird der Wirkungsgrad verdoppelt. Die Radialfläche führt zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrads.
  • Durch den Wind wird ein Überdruck vor und innerhalb der Turbine aufrechterhalten, ähnlich wie in einer Luftdruckkammer. Die Energie wird erzeugt, wenn die Luft, die den Überdruck auf die Flügel ausübt, die Turbine verlässt, ähnlich wie bei einem Fenster an der Sogseite eines Hauses. Dann rotiert die Turbine. Der Überdruck bleibt proportional zur Windgeschwindigkeit.
  • Auf der rechten Seite der 4 hat man eine schnelle Luftbewegung und auf der linken Seite eine langsame Luftbewegung, wobei der Überdruck aufgebaut wird. Die langsame Strömung von komprimierter Luft leistet kaum einen Widerstand gegen die Turbine im Gegensatz zur Wirkungsweise bei der Savonius-Turbine. Die Strömung ist auch schnell genug, um den Überdruck (oben in der Figur) bzw. den Sog (unten in der Figur) aufrechtzuerhalten. Die Drehrichtung der Turbine ist in 4 durch den Pfeil 27 angezeigt. Das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit ist 2:1 im Gegensatz zur Savonius-Turbine mit einem Verhältnis von 1:1. Die Drehrichtung und das Drehmoment werden bewirkt durch den Druckausgleich, ähnlich wie ein Fenster an der Saugseite eines Hauses sich öffnet. Wenn an der gegenüberliegenden Druckseite des gleichen Hauses eine Tür geöffnet wird, klappt das Fenster ruckartig zu, selbst wenn kein Wind an der Druckseite des Hauses vorhanden ist. Das Zuklappen des Fensters hat nichts mit der Windgeschwindigkeit zu tun, sondern mit dem Druckausgleich. Dadurch wird deutlich, dass die erfindungsgemäße Turbinenform nicht aufgrund der Windgeschwindigkeit wie bei der Savonius- oder Darrieus-Turbine funktioniert, sondern aufgrund des Druckausgleiches. Dies bedeutet, dass eine Einordnung dieser Turbine gemäß dem Betz-Gesetz zu hinterfragen ist.
  • Auf diese Weise ist verständlich, warum der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Turbine höher als bei anderen, üblichen Turbinen ist.
  • Weitere Vorteile der Erfindung, nachfolgend „Triple-Tower-Technologie” genannt, im Vergleich zu Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse und drei Flügeln, nachfolgend „Masten” genannt
  • Windkrafterzeugung in großer Höhe für erneuerbare Energie kann billiger als Erdöl sein!
  • Beispielhafte Untersuchungen in De Bilt in Holland, unter 150 Meter Höhe, zeigen, dass die mittlere verfügbare Windenergie in kW pro m2 Wind über das Jahr 1150,4 kW beträgt (siehe nachfolgende Tabelle). Die größten Windenergiewandler erreichen heutzutage ein Maximum von 142 Meter.
    Windgeschwindigkeit Stunden im Jahr Leistung in Watt pro Sekunde pro m2 Energie in 1 m2 Wind unter 150 Meter in kW
    6 1314 (15%) 135 177,3
    10 613,2 (7%) 628 385,1
    15 175,2 (2%) 2122,3 372
    20 43 (0,5%) 5030 216
    25 0
    1150,4
  • Die Untersuchung in De Bilt in Holland, über 200 Meter Höhe, zeigt, dass die mittlere verfügbare Windenergie in kW pro m2 Wind über das Jahr 2758 kW beträgt (siehe nachfolgende Tabelle). Das ist mehr als das 2,5-fache des Windes unter 150 m. Daher werden die Kosten pro kW von einem Mast unter 200 m am Ende 4-mal teurer sein als die Kilowatt von einem Triple Tower.
    Windgeschwindigkeit Stunden im Jahr Leistung in Watt pro Sekunde pro m2 Verfügbare kW an Energie in 1 m2 Wind über 200 Meter
    6 700 (8%) 135 94,6
    10 613 (7%) 628 385,1
    15 438 (5%) 2122,3 929,6
    20 175,2 (2%) 5030 882
    25 109 (1,25%) 9825 107,1
    30 43 (0,5%) 16978 365
    2758
  • Eine interessante Berechnung für die Gesamtmenge an Windenergie, die theoretisch im Jahr 2001 aus einer Luftsäule von nur einem Meter Breite zwischen dem Erdboden und 10.000 m gewonnen worden sein könnte, unter der Annahme eines Wirkungsgrades von dreißig Prozent für das Gewinnungsmittel, ergibt:
    für San Diego ..... 30 015 Megawattstunden,
    für Oakland ..... 47 286 Megawattstunden,
    für Topeka ..... 66 405 Megawattstunden.
  • Das gibt eine Vorstellung davon, wie wenig abgefangene vertikale Fläche wie viel Energie erzeugen kann, obwohl in der Praxis viele Faktoren dieses Potential verringern.
  • Triple Towers ist mit wenigstens der 2,5-fachen verfügbaren Leistung eindeutig die Antwort. Auch die Konzentration aller Ressourcen, Arbeitskräfte, Transport, Kommunikation-Infrastruktur, Logistik, Einrichtungen & Unterbringung für Arbeitskräfte sind alle viel weniger teuer.
  • Es folgt eine Zusammenfassung über erwägenswerte Faktoren, falls die Entscheidung für kleinere Masten (oder einen herkömmlichen Windpark) gefallen ist.
  • Die Website der American Wind Energy Association (AWEA) gibt an, dass 2009 8 500 MW an Windkrafterzeugung hinzugefügt wurden. Dies entspricht 8,5 GW oder annähernd neun mittelgroßen Kernkraftwerken. Die Industrie ist bereit zum Wachstum.
  • Neue Turbinentechnologie und Kostenfaktoren
  • Es werden neue Turbinen für Leistungen von 7,0 MW und 10,0 MW entwickelt, die Rotoren mit 100 m Durchmesser und Masthöhen von mindestens 100 m erfordern. Größere Turbinen ermöglichen, dass weniger Masten die Arbeit vieler kleinerer Turbinen erledigen. Eine einfache arithmetische Übung zeigt die wirtschaftlichen Vorteile:

    Ein Beispiel eines 100-MW-Windparks auf dem Festland:
    25 Masten à 4 MW
    25 Masten à 500 k$/Mast = 12,5 Millionen $ in Aufbau + Fundament
    10 Meilen an Straßen à 1,5 Millionen $/Meile = 15 Millionen $
    Gesamt-Infrastrukturkosten = 27,5 Millionen $ oder 275 000 $/MW
    100 Masten à 1 MW
    100 Masten à 350 k$/Mast = 35 Millionen $ in Aufbau + Fundament
    50 Meilen an Straßen à 1,5 Millionen $/Meile = 75 Millionen $ für Straße
    Gesamt-Infrastrukturkosten = 110 Millionen $ = 1 100 000 $/MW
  • Durch Steigern der Mastgröße und der Turbinenleistung können wir die Infrastrukturkosten enorm verringern. Es gibt zahlreiche weitere Vorteile, wenn es weniger Masten pro Vorhaben gibt:
    • • Weniger Umweltbelastung insgesamt; weniger Straßen, was bedeutet, dass eine kleinere Fläche des Ortes durch Bauverkehr belastet wird
    • • Weniger Belastung durch Erdarbeiten und Planieren
    • • Höhere Masten mit größeren Turbinen führen zu einer Drehung des Rotors mit niedriger Frequenz (< 15 U/min), was weniger Aufprallereignisse von Vögeln bedeutet (Vögel können die Flügeln mit langsamerer Drehung erkennen und ihre Flugbahn umleiten)
    • • Weniger Turbinen bedeuten insgesamt niedrigere Wartungskosten, weil es weniger Maschinen zu überwachen gibt; es ist einfacher 25 Masten zu überwachen als 100.
  • Höhere Masten, die zum allgemeinen Trend werden und Höhen von über 100 m erreichen, heizen die Nachfrage nach schöpferischen konstruktiven Lösungen an. Mehrere Firmen verfolgen neuartige Mastauslegungen. Die Hauptideen konzentrieren sich auf das grundlegende Stahlröhren-Mastkonzept, aber zahlreiche alternative Auslegungskonzepte verwenden Verbundmasten mit Stahl und Beton. Bei hohen Masten werden technische Herausforderungen aufgeworfen, und die Aspekte des Hochbaus werden kompliziert.
  • Es folgen 12 Probleme, denen sich Bauingenieure bei der Mastkonstruktion gegenübersehen:
  • Nachteile von Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse und drei Flügeln
  • Turbinenüberdrehzahl: Die Turbine und der Rotor laufen bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 50 mph in Überdrehzahl (> 24 U/min). Dies führt zu übermäßigen Beanspruchungen, und das gesamte System kann zusammenbrechen.
  • Nothalt: Der kurze/harte Halt erzeugt ein Stoßbeanspruchungsspektrum an der Konstruktion und führt zu einer drastischen dynamischen Impulsbeanspruchung für das System, was zu großen seitlichen Auslenkungen führt.
  • Frequenz-Drehsteifigkeit: Langzeit-Bodenermüdung und/oder Fundamentermüdung bewirken, dass das Mastkonstruktionssystem nachlässt und sich die Drehsteifigkeit mit der Zeit verringert. Dies bewirkt, dass sich das Konstruktionsintervall verlängert (die Frequenz verkürzt), was schließlich zu einem Resonanzproblem führt.
  • Ermüdungsbruch von Schweißungen: Stahlschweißungen, die mit der Langzeitermüdung auf Grund von aufgebauten Restspannungen reißen. Die Knickbelastbarkeit des Mastes wird verringert, und schließlich bricht die Masthülle zusammen.
  • Flügelbruch: Die Flügel werden auf Grund von Ermüdung, Abnutzung und Bruch, übermäßiger Vibration überbeansprucht und brechen unter diesen äußeren Beanspruchungen zusammen.
  • Turbinen-Exzentrizitätsbeanspruchungen: Die Turbinenkonstruktion und die Gierplatten (yaw plates) sind nicht korrekt konstruiert und haben eingebaute Exzentrizitäten, die in den ursprünglichen Lastberechnungen nicht berücksichtigt wurden. Diese Exzentrizitäten führen zu Langzeit-Ermüdungsrissen in der Gierplatte.
  • Rotorungleichgewicht: Der Rotor und die Flügel haben ein eingebautes Ungleichgewicht, und bei der Flügeldrehung werden exzentrische Moment erzeugt. Das Ungleichgewicht auf Grund von Schnee-/Eislasten wird ebenfalls ungewöhnliche Beanspruchungsspektren verursachen, die nicht Teil des ursprünglichen Entwurfsspektrums waren.
  • Restspannungen, die durch innere Schweißungen induziert werden: Innere Schweißungen wurden ohne Genehmigung des Herstellers an dem Mast vorgenommen und verursachen aufgebaute Spannungen. Diese Restspannungen führen zu vorzeitigen Ermüdungsrissen.
  • Fundamentrisse durch Ermüdung: Das Grundfundament reißt auf Grund von Wechsellast-Ermüdungsbeanspruchungen, und dies führt zu einer Verringerung der Drehsteifigkeit des Fundaments. Dies beeinträchtigt das Leistungsvermögen des Mastes und kann zu einer resonanzinduzierten Amplitudenvergrößerung des Mastaufbaus führen.
  • Fundamenterweichung auf Grund von schlechter Drainage: Die Grenzfläche von Grundfundamentstruktur und Boden wird auf Grund von konzentrierten Drainageproblemen weich. Dies kann zu Bodenerweichungsparametern (auf Grund des Vorhandenseins von Wasser) und einem Nachlassen der seitlichen Steifigkeit führen.
  • Korrosion von Fundamentbolzen durch aggressive Böden: Der Boden hat aggressive Eigenschaften, die zu einem Abbau des Betons und einem Eindringen in die Bolzen/Bewehrung führen. Eine Korrosion von Bolzen/Bewehrung führt zu einer verringerten statischen Belastbarkeit des Fundaments und einem letztendlichen Steifigkeitsabbau.
  • Seismische/Erdbebenbeanspruchungen: Mastkonstrukteure berücksichtigen Windlasten, ohne die Erdbeben-/seismischen Einwirkungen zu berechnen, und es kann sein, dass die Masten nicht dazu in der Lage sind, gegenüber den örtlichen seismischen Anforderungen zu bestehen.
  • Der spezifischste Aspekt der Windmast-Baukonstruktion sind die dynamischen Eigenschaften und mit Ermüdung verbundenen Probleme. Von allen Ingenieurbaukonstruktionen steht der Windmast als eine naturgemäß besondere Konstruktion da, weil er, im Gegensatz zu einer Brücke oder einem hoch aufragenden Gebäude, eine ”arbeitende Maschine” mit sich bewegenden Teilen ist. Diese inhärenten dynamischen Beanspruchungen erzeugen viele Probleme, die normalerweise bei statischen Konstruktionen nicht berücksichtigt werden.
  • Langzeitbeanspruchungen sind die normalen Betriebswindlasten, die Ruhe-, Betriebs-, statische Winddruck- und Standardbetriebskippmomente, -schübe und -axialbelastungen einschließen. Die Frequenz dieser Langzeit-Dauerbeanspruchungen kann in 20 Jahren mehr als 20 000 000 Zyklen erreichen. Daher muss jeder Aspekt des Mastfundament-Entwurfs diese Vorbedingungen berücksichtigen. Kurzzeitbeanspruchungen schließen Nothalt, Erdbeben, dynamischen Spitzenwinddruck und Drei-Sekunden-Böen-Beanspruchung ein.
  • Für küstennahe Vorhaben sind die Probleme ferner mit zusätzlichen technischen Schwierigkeiten vermischt:
    • • Hydrodynamische Wellenbeanspruchung an dem Mastfundament
    • • Frequenzverhalten des Mastfundaments mit der Komplexität der Einwirkung von Wind und Wasserwellen auf die Konstruktion
    • • Ermüdung und Korrosion durch die Einwirkung der Wasserwellen
    • • Unterwasserzugang zu dem Fundament für Überwachung und Instandhaltung
    • • Geotechnisches Leistungsvermögen des Verhaltens des Fundaments unter dem Meeresgrund.
  • Diese Diskussion um höhere Masten wird gefördert durch die Fundamentelemente, welche den größeren Aufbau und die gesteigerten Beanspruchungen ergänzen müssen.
  • Windmasten nehmen weiter in der Höhe und der Belastbarkeit zu. Wir sehen nun auf die nächste Generation von Windmasten, die 100 m in der Höhe übertreffen und Turbinen von 7,0 MW und mehr tragen werden. Nach der Einschätzung des Erfinders werden wir erleben, dass bis 2015 die durchschnittliche Masthöhe 120 m betragen wird, mit 7,0-MW-Turbinen als dem typischen Fall.
  • Wenn wir vorankommen, können wir unsere Konstruktionspraxis durch das Entwickeln eines Bestandes an Masten und das Stellen schwieriger Fragen verbessern. Die Gebiete für eine weitere Forschung schließen Folgendes ein:
    Überwachung des Konstruktionsverhaltens: Überwachen einer ausgewählten Probegröße von Masten, um eine Aufzeichnung von deren Beanspruchungen, Spannungen und Verhalten zu führen.
  • Umfassende Forschung an Konstruktionsfehlern: Es sollte ein Forschungsbericht in Auftrag gegeben werden, um den Bestand an Mastkonstruktionen und dokumentierten Fehlern zu untersuchen. Es gibt in der Forschungsgemeinschaft wenige Informationen zu diesem Thema, und wir brauchen mehr Informationen.
  • Einschätzung aller Beanspruchungsbedingungen: Es gibt einen Mangel an Informationen über den Rahmen der Entwurfslasten und was sie einschließen sollten. Vielleicht ist ein überarbeiteter Standard erforderlich, um eine einheitliche Plattform für alle Hersteller zu bilden.
  • Mitteilen unserer Konstruktionsprobleme zur Diskussion: Unsere technischen Teams sollten ihre Erfolge und Probleme kundtun und teilen. Der beste Weg zu einer Verbesserung ist deren Diskussion in einem offenen Forum.
  • Führung statistischer Aufzeichnungen: Als Industrie sollten wir Aufzeichnungen von Problemen und Sachverhalten führen, so dass wir das Verhalten verschiedener Systeme nachvollziehen können.
  • Verbesserung der Entwurfsrichtlinien: Alle diese Anstrengungen sollten in einem Windmast-Entwurfsausschuss vereint werden, der Verbesserungen an unseren Entwurfsrichtlinien empfehlen kann.
  • Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Windkraftanlage
  • Die Flügel rotieren nicht schneller als der Wind. Die erfindungsgemäßen Turbinen sind sehr einfach zu konstruieren.
  • Die Turbinen werden sehr schnell und sehr einfach dort aufgestellt, wo die Windbedingungen am besten sind.
  • Keine hochtechnologischen Maschinen werden zur Herstellung benötigt.
  • Ein schneller Zusammenbau ist ein weiterer Vorteil.
  • Die Herstellung kann direkt auf der Windfarm vorgenommen werden.
  • Eine Konstruktion ohne Schwerkräne ist möglich.
  • Schwierige Sicherheitsvorkehrungen brauchen nicht berücksichtigt werden, wie es im Stand der Technik bei den Masten mit vertikal ausgerichteten Drehachsen der Fall ist.
  • Die Leistungsdichte ist viel höher als bei jeglicher bekannter Windkraftanlage.
  • Preiswerte Stützkonstruktionen aus Stahl sind möglich.
  • Wenn einer der Generatoren herunterfährt, arbeiten die restlichen Generatoren deshalb weniger redundant.
  • Anders als die Windkraftanlagen mit Masten und horizontalen Achsen sind die erfindungsgemäßen Turbinen perfekt geeignet, um Wasser zu pumpen, da sie ein sehr hohes Drehmoment erzeugen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    herkömmliche Windkraftanlage
    2
    erfindungsgemäße Windkraftanlage
    3
    Segment
    4
    Schiene
    5
    Hochhaus
    6
    Halterung
    21
    Radialfläche
    22
    Leitfläche
    23
    Strömungsfläche
    27
    Pfeil

Claims (8)

  1. Windkraftanlage mit einer Radialturbine, insbesondere mit einer vertikalen Rotationsachse, die auch horizontal, je nach Bedarf einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine in mehrere Segmente mit jeweils einer unabhängig rotierenden Einzelturbine unterteilt ist und dass die Drehzahlen und Drehmomente der Einzelturbinen voneinander unabhängig sind.
  2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leitflächen (22) und Radialflächen (21) angebracht sind.
  3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelturbine mit einem separaten Stromgenerator versehen ist.
  4. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage transportabel und insbesondere auf Schienen angeordnet ist.
  5. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage in horizontaler Lage an einem Berghang angeordnet ist.
  6. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage an einem Hochhaus oder zwischen Hochhäusern angeordnet ist.
  7. Anordnung von mehreren Windkraftanlagen nach Anspruch 3, insbesondere Windpark oder Windfarm, dadurch gekennzeichnet, dass für die Segmente gleicher Höhe nur ein Stromgenerator vorgesehen ist.
  8. Anordnung von mehreren Windkraftanlagen nach Anspruch 1, insbesondere Windpark oder Windfarm, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlagen in engem Abstand nebeneinander angeordnet sind und eine Wand bilden.
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